腐蝕環境中混凝土樁基耐久性研究進展

李鏡培, 李 林, 陳浩華, 邵 偉, 岳著文

(1.巖土及地下工程教育部重點實驗室(同濟大學)，上海 200092； 2. 同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092)

腐蝕環境中混凝土樁基耐久性研究進展

李鏡培1,2, 李 林1,2, 陳浩華1,2, 邵 偉1,2, 岳著文1,2

(1.巖土及地下工程教育部重點實驗室(同濟大學)，上海 200092； 2. 同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092)

腐蝕環境中地下混凝土結構的耐久性問題一直是國內外研究的熱點問題之一.針對海洋和近海氯鹽侵蝕環境與內陸鹽湖和鹽堿地硫酸鹽侵蝕環境中地下混凝土結構的耐久性問題，分別從混凝土侵蝕機理、侵蝕性離子擴散機制、鋼筋銹蝕機理、混凝土強度和剛度損傷等幾個方面總結和歸納了當前國內外的研究現狀，探討了氯鹽侵蝕環境和硫酸鹽侵蝕環境中地下混凝土結構的損傷特性和劣化機制.在此基礎上，考慮PHC預制管樁和現澆鉆孔灌注樁的制作養護工藝，分別論述了海工環境中水平受荷PHC管樁和鹽漬土環境中豎向受荷鉆孔灌注樁的侵蝕劣化機理，進而結合海工環境中水平受荷PHC管樁和鹽漬土環境中豎向受荷鉆孔灌注樁的承載機制，探討了各自承載特性的退化規律，總結了海工環境中水平受荷PHC管樁和鹽漬土環境中豎向受荷鉆孔灌注樁壽命的預測方法.最后，基于當前腐蝕環境中鋼筋混凝土樁基耐久性研究現狀，筆者根據自己的見解提出了今后的研究思路和方向，以期為腐蝕環境中和復雜應力條件下鋼筋混凝土樁基的耐久性研究以及今后相應規范的制定提供一定參考.

腐蝕環境；鋼筋混凝土；樁基；氯離子；硫酸鹽；承載特性

混凝土結構的耐久性問題十分復雜，造成混凝土結構耐久性劣化的原因主要有：混凝土中性化、鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害以及侵蝕環境中的各種物理化學作用[1-2].其中，侵蝕環境中腐蝕性離子對混凝土的腐蝕是一個十分復雜而又緩慢的過程，涉及物理、化學、力學等多重因素作用，其影響因素多、危害性大，是造成混凝土結構耐久性劣化的主要因素之一.由于環境條件的千差萬別，不同侵蝕環境中混凝土結構遭受侵蝕損害的程度與機理不盡相同：如圖1所示，在海洋和近海氯鹽侵蝕環境中混凝土結構劣化主要以鋼筋銹蝕導致的銹脹開裂破壞為主，但在鹽湖和鹽堿地硫酸鹽侵蝕環境中，混凝土結構的耐久性劣化主要以硫酸鹽結晶脹裂破壞為主，如圖2所示.

針對不同侵蝕環境中混凝土結構的耐久性劣化問題，國內外學者開展了一系列有益的研究，取得了豐碩的研究成果[3-6].然而，現有混凝土耐久性研究主要集中在地面上部結構，而對于埋置于巖土體中混凝土樁基的耐久性研究卻鮮有涉及.究其原因主要是由于地下混凝土樁基的隱蔽性，人們認為混凝土樁基耐久性不會構成太大問題，因而重視不夠，導致國內外對樁基結構耐久性的研究工作幾乎為空白.與地上建筑結構相比，樁基礎可能在密閉潮濕、永久浸泡、干濕交替等環境下工作，在這些地下巖土環境中，混凝土樁基的耐久性不僅受巖土介質及地下水中侵蝕性離子的腐蝕作用，接近地面部分或裸露處還受到大氣環境中CO2和Cl-的侵蝕作用，其服役環境遠比地面上部結構復雜.

Fig.1 Concrete cracks due to reinforcement corrosion in offshore foundations

圖2 鹽堿地電桿混凝土腐蝕脫落

中國地域遼闊，自然環境復雜多樣，樁基礎所處服役環境復雜多樣，海洋和近海氯離子侵蝕環境與內陸鹽湖和鹽堿地硫酸鹽腐蝕環境非常普遍.這些環境條件下侵蝕性離子的腐蝕作用將導致混凝土樁基長期強度、變形性能和耐久性降低，而現有的設計、施工以及相關的理論分析方法很少涉及混凝土樁基的耐久性問題，相關的研究和資料也相對較少，中國現行有關規范GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》[7]、JTS 147-1—2010《港口工程地基規范》[8]和JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[9]雖然要求對處于侵蝕環境下的樁基應采取必要的防護措施，但對樁基的耐久性設計要求仍然含糊不清.目前，中國正處于地下混凝土結構新建與維修并重時期，因此對不同侵蝕環境條件下混凝土樁基的耐久性劣化問題展開研究，為新建樁基的耐久性設計與在役樁基的耐久性評估提供必要的理論依據，具有重要的理論和現實意義.

本文從混凝土侵蝕機理、侵蝕性離子擴散機制、鋼筋銹蝕機理、混凝土強度和剛度損傷等幾個方面總結探討了海洋和近海氯離子侵蝕環境與內陸鹽湖和鹽堿地硫酸鹽腐蝕環境中地下結構混凝土劣化機理，介紹了最新的研究進展；在此基礎上，結合近年來筆者對混凝土樁基耐久性問題的研究工作，分別探討了腐蝕環境下PHC管樁與鉆孔灌注樁的耐久性劣化機理及承載特性退化機制；并對以后侵蝕環境中樁基耐久性問題的研究內容和方向進行了展望.

1 氯離子侵蝕環境混凝土劣化

服役于海洋和近海環境中的混凝土結構，環境中氯離子在濃度梯度差的作用下擴散進入混凝土內部，一旦鋼筋表面氯離子質量分數達到氯離子質量分數閥值，鋼筋表面鈍化膜將在水分、氧氣和氯離子的共同作用下受到破壞，鋼筋將產生銹蝕[10-11].鋼筋銹蝕不僅導致鋼筋有效截面減小使鋼筋與混凝土之間的粘結退化，而且鋼筋銹蝕產物體積膨脹還將導致樁身混凝土產生銹脹裂縫，最終銹脹裂縫貫通導致混凝土結構喪失承載性能.海洋和近海氯離子侵蝕環境中混凝土結構的耐久性劣化過程可分為：1)氯離子擴散；2)鋼筋銹蝕；3)銹脹開裂3個階段[11]，如圖3所示.因此，氯離子侵蝕環境中混凝土結構耐久性的研究也多集中在以上3個方面.

圖3 氯離子引起的鋼筋銹蝕過程

1.1 氯離子擴散模型

氯離子在混凝土結構中的擴散規律是混凝土耐久性研究中最為基本也是最為重要的內容.國內外對混凝土的耐久性研究表明，氯離子在混凝土內部的輸運方式主要包括對流、擴散和電化學遷移[12],其中，電化學遷移在自然環境下發生的機率較小，因而氯離子擴散研究中電化學遷移作用一般不予考慮.為簡化計算氯離子在混凝土中的輸運，通常在混凝土耐久性研究中僅考慮擴散作用.Collepardi等[13]最先采用Fick第二定律描述氯離子在混凝土中的擴散行為，其擴散方程可以表示為

(1)

式中：C為氯離子質量分數；x為距離混凝土表面的深度；t為時間；D為氯離子擴散系數.

從式(1)可以看出，擴散系數決定了氯離子在混凝土內部的傳輸速率，在實際工程中，氯離子擴散系數并不是一個定值，其受到環境溫度、相對濕度、混凝土齡期、氯離子結合效應以及混凝土內部裂紋等多種因素的影響，表1列舉了以上幾種因素影響下混凝土氯離子擴散系數的計算方法以及對應的影響規律.

表1 氯離子擴散系數影響因素與計算模型

值得注意的是，式(1)僅適用于實心方形混凝土構件中氯離子一維擴散情況，實際工程中氯離子在混凝土中多以三維形式擴散，且截面差異會導致氯離子在混凝土樁中的擴散機制有所差別.對于暴露于氯鹽環境下的混凝土方形構件，根據Fick第二定律可建立氯離子三維擴散方程：

(2)

對于暴露于氯鹽環境下的PHC管樁及地下埋管等圓柱體混凝土結構，其擴散方程的一般形式可在柱坐標系下表示為

(3)

式(2)、(3)為典型的物質擴散方程，根據混凝土構件的截面幾何形狀和實際服役環境，可建立相應的邊界條件和初始條件，進而便可采用積分變換方法、分離變量法或差分法求解得出混凝土結構內部任意時刻、任意位置的氯離子分布.

1.2 鋼筋銹蝕機理

混凝土中水泥水化產物一般呈高堿性(pH值為12.5～13.5)[19].在這種高堿性環境中鋼筋表面會產生一層致密的鈍化膜，其成分主要為Fe2O3和Fe3O4.鈍化膜的存在避免了鋼筋與外界環境中氧氣與水分的接觸，可有效地保護內部鋼筋.而當海水中的氯離子到達鋼筋表面時，該處的pH值將迅速降低，鈍化膜將開始破壞[20].

引起鋼筋表面鈍化膜破壞、鋼筋腐蝕時對應的氯離子質量分數稱為臨界氯離子質量分數[21]，臨界氯離子質量分數通常有總氯離子質量分數、自由氯離子質量分數及氯離子與氫氧根氯離子質量分數之比[Cl-]/[OH-]3種表示方法[22-23].然而，由于臨界氯離子質量分數影響因素多，且測試手段和表示方法多種多樣，目前臨界氯離子質量分數尚未有統一認識.針對這種情況，美國混凝土協會(ACI)和英國混凝土耐久性標準對混凝土結構在不同服役環境下臨界氯離子質量分數進行了規定[24]，見表2.

表2ACI和英國標準臨界氯離子質量分數規定值[24]

Tab.2 Values of critical chloride concentration specified by ACI and British standard[24]

規范名稱氯離子環境干燥環境其他環境BS81100.20.40.15ACI2010.1—0.15ACI3570.1—0.15ACI2220.2—0.15

由于混凝土實際是由粗骨料、細骨料組成的復合材料，混凝土各個部位氯離子的擴散速度相差懸殊，當某個位置的氯離子質量分數最先達到臨界氯離子質量分數導致鈍化膜完全消失時，其他絕大部位鋼筋表面的鈍化膜尚保持完好.鐵基體與完好的鈍化膜將形成電位差進而構成腐蝕電池，在氧氣和水充足的條件下鋼筋將發生如圖4所示的電化學腐蝕[25].

混凝土中鋼筋銹蝕速率計算是進行凝土耐久性壽命預測和評估的必要前提.為此，國內外學者對混凝土中鋼筋銹蝕速率展開了廣泛的研究[26-31]，建立了多種鋼筋銹蝕速率的理論和統計模型，表3總結幾種典型的計算模型.然而，由于鋼筋銹蝕機理的復雜性，目前尚未建立具有普適性的鋼筋銹蝕速率模型，在實際問題中多采用理論模型和統計模型相結合的方式對鋼筋銹蝕速率進行大致的估算.

圖4 氯離子銹蝕鋼筋示意

1.3 混凝土繡脹開裂

混凝土中的鋼筋一旦發生腐蝕，就會在鋼筋和混凝土界面形成一層疏松的多孔海綿狀的銹蝕產物(mFe3O4·nFe2O3·rH2O)，鋼筋銹蝕產物主要成分為Fe2O3和Fe(OH)3，除Fe2O3和Fe(OH)3外，還有約十余種不同的銹蝕物質，這些銹蝕物的相對體積見圖5[32].從圖5可知，銹蝕產物的體積與未發生銹蝕的鋼筋體積相比增大了約2～6倍[33]，銹蝕物質體積膨脹將引起鋼筋外圍混凝土產生環向拉應力，達到一定程度時便造成鋼筋和混凝土界面出現內部徑向裂縫.隨著腐蝕發展，腐蝕產物的不斷累積，裂縫向混凝土表面發展，混凝土保護層就會發生順筋開裂、剝落甚至整體脫落，最終導致鋼筋混凝土結構的毀壞失效.

表3 混凝土中鋼筋銹蝕速率計算模型

混凝土銹脹開裂嚴重影響到混凝土的耐久性，目前國內外學者已經對腐蝕環境下混凝土的銹脹開裂問題開展了大量試驗研究和理論分析，并提出大量預測混凝土開裂時間的計算模型，其中具有代表性模型有：Bhargava等[34]和Liu等[35]根據銹蝕產物生成速率基于彈性理論建立的理論分析模型，Maadawy等[36]基于Faraday定律根據鋼筋銹蝕質量損失與膨脹應力之間的關系建立的解析模型.然而，由于鋼筋銹蝕速率、鋼筋銹蝕產物化學組成以及混凝土剩余強度等因素的復雜性，這些模型預測得出的保護層銹脹開裂時間與試驗觀測值仍然存在一定的差異.

2 硫酸鹽侵蝕環境混凝土劣化

鹽漬土和鹽湖等硫酸鹽侵蝕環境中混凝土的耐久性退化以混凝土的開裂和膨脹形式表現.硫酸鹽對地下混凝土結構的侵蝕過程可大致分為兩個階段：1)擴散-反應階段，2)膨脹開裂階段.

2.1 硫酸鹽侵蝕機理

硫酸鹽對混凝土的腐蝕是一個非常復雜的物理化學過程.如圖6所示，根據侵蝕機理可將硫酸鹽對混凝土的腐蝕分為物理侵蝕和化學侵蝕兩類.

物理侵蝕指硫酸鹽不與混凝土中的水泥水化產物發生化學反應，而是形成相應的鹽結晶，結晶體積膨脹在混凝土內部產生極大的結晶壓力，從而導致混凝土開裂破壞.關于硫酸鹽物理侵蝕混凝土的機理目前主要有固相體積變化理論、結晶水壓力理論和鹽結晶壓力理論三種觀點[37].其中，固相體積變化理論指混凝土中無水硫酸鈉(Na2SO4)轉換成十水硫酸晶體(Na2SO4·10H2O)后體積膨脹導致混凝土的開裂與劣化；結晶水壓力理論認為結晶水合物和無水化合物受到同樣的平衡壓力，實質就是固相體積轉化過程產生的壓力引起混凝土的失效破壞；結晶壓力理論認為混凝土孔隙中鹽溶液因濃度過飽和而有晶體析出，晶體不斷析出達到一定量后對混凝土內孔壁產生壓力導致混凝土破壞.

圖6 硫酸鹽侵蝕機理分析

化學侵蝕主要指水泥水化產物氫氧化鈣(CH)、水化硅酸鈣(C-S-H)、水化鋁酸鈣(C-A-H)、鈣礬石(AFt)和單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)和硫酸鹽發生化學反應生成膨脹性產物使混凝土基礎失去膠結性能而產生剝落、潰散，進而導致混凝土結構破壞.硫酸鹽化學侵蝕混凝土的類型主要有：鈣礬石型、石膏型、硅灰石膏型和混合型[38].根據腐蝕產物引起的破壞機理和破壞形式，可將硫酸鹽的化學侵蝕作用分為以下兩種：1)硫酸鹽和混凝土水化產物發生化學反應生成碳硫硅酸鈣和氫氧化鎂等非膠凝產物，使混凝土中水泥水化產物CH、C-S-H溶解，導致混凝土自身粘結性能降低而破壞；2)硫酸鹽侵蝕反應生成的膨脹產物如石膏、鈣礬石等，先填充孔隙，進而在混凝土內部產生膨脹應力而導致混凝土開裂破壞.

2.2 硫酸鹽擴散-反應模型

硫酸鹽擴散過程中，進入混凝土內部的硫酸根離子與水泥水化物發生化學反應，耗散了部分擴散進入的硫酸根離子，因此計算混凝土內部硫酸根離子含量時需考慮硫酸根離子的反應耗散作用[39-41].假定硫酸根離子與混凝土組分發生化學反應的速率為k，根據質量守恒定律和Fick第二定律可將硫酸鹽擴散-反應方程的一般形式表示為

U.

(4)

式(4)等式右邊-kCU項代表了硫酸根離子的反應耗散速率.在擴散系數為常數的條件下，式(4)通常可采用分離變量法或積分變換方法求解.然而，硫酸鹽擴散系數并不是一定值，若將擴散系數視為常數進行硫酸鹽擴散-反應分析，將大大降低混凝土損傷程度評估的準確性[41].為描述硫酸根離子在混凝土中的擴散-反應過程，Samson等[39]、左曉寶等[40]對硫酸鹽擴散系數進行了修正.由于硫酸根離子擴散系數受溫度、水膠比、溶液濃度等多種因素影響，且硫酸鹽擴散-反應機理比較復雜，因此，目前還未形成統一的硫酸鹽擴散系數計算方法.

2.3 硫酸鹽侵蝕混凝土性能劣化模型

混凝土受硫酸鹽侵蝕后，膨脹性侵蝕產物導致混凝土開裂，在微觀上表現為混凝土內部結構發生變化，形成大量的微觀缺陷.隨著膨脹性侵蝕產物的積累，這些微觀缺陷不斷成核、擴展、匯聚，最終在宏觀上表現為混凝土強度和剛度不斷衰退，最終引起結構性能喪失而發生破壞.

混凝土損傷特性及其劣化規律的研究是進行混凝土力學性能分析和壽命預測的基礎.針對硫酸鹽侵蝕環境中混凝土性能的損傷劣化問題，國內外學者開展了廣泛研究[42]，但多數研究側重于硫酸鹽侵蝕混凝土微觀結構的劣化機理，對受硫酸鹽侵蝕混凝土的強度和剛度等宏觀特性僅進行了定性分析[43-44].盡管有少數研究采用損傷因子D定量描述了微觀結構損傷引起混凝土宏觀學力學性能的改變，但由于硫酸鹽侵蝕機理的復雜性和環境因素的不確定性，這些硫酸鹽侵蝕混凝土的損傷模型多為經驗性模型，仍然缺乏嚴格的理論依據.此外，目前多數硫酸鹽侵蝕混凝土損傷劣化的研究忽略了荷載作用.實際工程中，硫酸鹽侵蝕混凝土結構的劣化破壞是物理、化學和力學多因素耦合作用的結果.因此，多因素耦合作用下硫酸鹽侵蝕混凝土結構的損傷特性及其劣化規律是一個值得深入探究的科學問題.

隨著社會的進步、生活的改善，人們逐漸認識到健康不僅僅是疾病或虛弱的消除，而是身體、精神和社會生活的完美狀態。醫學模式也逐漸發展成生物、心理、社會醫學模式[1]。這就要求我們每一個醫務工作者從醫療思維模式上進行轉變，不僅要治病救命，而且還要強調功能恢復。康復醫學的理念也逐漸得到全社會的認可和關注。

3 海洋與近海環境中PHC管樁耐久性

3.1 PHC管樁耐久性問題

高強度預應力混凝土管樁(PHC管樁)由于承載力高、施工周期短、成樁質量可靠等優點，在海港碼頭、跨海大橋、海上石油平臺、海上風機等海洋和近海工程中得到了廣泛應用.PHC管樁自誕生至今僅有40余年歷史，由于目前海洋工程中的PHC管樁服役時間較短，其耐久性問題還未引起足夠重視.實際上，服役于海洋和近海環境中的PHC管樁同時受到氯離子侵蝕、干濕循環以及海浪、潮汐等往復荷載的聯合作用，其耐久性劣化問題已相當嚴重[45].然而，由于PHC管樁成樁工藝的特殊性和服役環境的復雜性，普通鋼筋混凝土耐久性的研究方法和計算理論也無法直接應用于海洋和近海環境中PHC管樁的耐久性分析，PHC管樁的耐久性設計和評估還無具體規范、標準可循.

同普通鋼筋混凝土結構相比，PHC管樁的耐久性問題具有以下特殊性[46]：1)PHC管樁獨特的中空結構，使其同時承受內外雙側氯離子侵蝕；2)PHC管樁在離心過程中發生分層現象，氯離子在不同分層中的擴散系數不同；3)PHC管樁經過施加預應力、離心、高溫、高壓蒸養等特殊工序，經過這些特殊性工藝后其耐久性如何尚不得而知.4)PHC管樁屬于預應力結構，其預應力鋼筋的腐蝕速度與危害程度遠比普通鋼筋更加突出.5)PHC管樁一般采用靜壓或打入方式施工，這兩種施工方式極易引起PHC管樁產生裂縫，對其后期使用過程中的耐久性產生不利影響.

3.2 PHC管樁中氯離子擴散規律

目前，國內外對混凝土方形構件單一側氯離子擴散的研究已比較成熟，然而對PHC管樁這種中空圓柱形構件的氯離子擴散問題的研究較少.盡管Lau等[47]和Huang等[48]曾對PHC管樁中氯離子的擴散規律進行了初步研究，但這些研究并沒有考慮到PHC管樁離心分層、氯離子內、外側同時擴散及帶裂紋等條件下的擴散規律，其研究結果與PHC管樁中氯離子擴散的實際情況存在很大差異.

針對海工環境中PHC管樁的氯離子擴散問題，文獻[46]基于Fick第二定律，在考慮PHC管樁內外側雙向擴散和離心分層的基礎上，建立了PHC管樁氯離子擴散的控制方程：

(5a)

(5b)

式中：D1、D2分別為砂漿層、混凝土層的擴散系數.C1、C2分別為任意時刻砂漿層、混凝土層的氯離子質量分數；r為徑向位置；t為擴散時間，a、b分別為PHC管樁的內半徑和外半徑，m為材料不同處半徑.

求解式(5)的定解條件根據PHC管樁中初始氯離子質量分數分布和內、外壁邊界條件表示為[46]：

C(0,r)=C0,(a

(6a)

C(t,a)=Ca,C(t,b)=Cb.(t>0)

(6b)

通過求解式(5)，文獻[46]對比分析了PHC管樁內外壁雙側侵蝕和單側侵蝕的區別，探討了離心分層對氯離子擴散的影響規律.圖7為PHC管樁內外壁同時受氯離子侵蝕與單側侵蝕條件下管樁內部的氯離子分布對比情況.可以看出，PHC管樁在內外雙側氯離子侵蝕條件下，氯離子質量分數出現交匯、疊加現象，雙側侵蝕條件下管樁內部氯離子質量分數遠高于單側侵蝕情況.

圖7 PHC管樁雙側與單側氯離子侵蝕比較[46]

Fig.7 Comparison of bilateral and unilateral chloride ions diffusion[46]

圖8 rm值對氯離子擴散的影響(計算時間為10 a)[46]

Fig.8 Influence ofrmto chloride ions diffusion (calculation time,t=10 a)[46]

混凝土中氯離子的輸運除擴散作用外，還包括毛細吸附、滲透等對流作用.對流-擴散耦合條件下混凝土中氯離子輸運速度遠遠大于單獨考慮擴散作用條件下的氯離子輸運速度.因此，若僅考慮擴散作用，所計算的氯離子質量分數將偏小[49].通常，對流區只存在于混凝土表面一定的深度[50].處于氯離子侵蝕環境中的PHC管樁，其內、外表面附近均存在對流-擴散作用耦合區，對流作用范圍以外的中間部分則為擴散區，如圖9所示.岳著文等[51]分別考慮管樁內、外側的對流-擴散耦合作用，根據氯離子質量守恒條件和Fick第一定律建立了PHC管樁內、外側氯離子的對流-擴散控制方程(式(7))，研究了對流-擴散耦合條件下PHC管樁中的氯離子傳輸規律.

(7a)

(7b)

圖9 PHC管樁對流-擴散區分布示意[51]

Fig.9 Distribution of convection-diffusion zone of PHC pipe piles[51]

圖10 對流擴散與擴散計算對比[51]

Fig.10 Comparison of calculation results between convection-diffusion and diffusion[51]

圖10以PHC300型管樁為例，繪制了不同侵蝕時間內對流-擴散耦合作用下PHC管樁內部氯離子質量分數的分布情況.可以看出，對流-擴散耦合作用下氯離子質量分數始終大于單一擴散作用下氯離子質量分數，但隨著計算時間增大，對流-擴散條件下氯離子質量分數計算值與單一擴散條件氯離子質量分數計算值差別越來越小.

PHC管樁由于混凝土收縮、化學反應、風化作用及施工作用等因素的影響，樁身通常存在各種細觀裂縫、甚至宏觀裂縫[52-53].為研究帶裂縫PHC管樁中氯離子的擴散規律，Shao等[54]基于彌散裂縫模型推導了氯離子在帶裂縫混凝土管樁中的等效擴散系數Deq，進而探討了帶裂縫PHC管樁中氯離子的擴散規律.

(8)

式中：D0和Dcr分別為氯離子在無裂縫管樁內和裂縫內的氯離子擴散系數；wcr為管樁保護層裂縫寬度.

此外，氯離子結合能力和環境溫度對PHC管樁中氯離子擴散也存在一定程度的影響.文獻[55]分別采用氯離子線性結合模型、Langmuir結合模型和Freundlich結合模型，研究了氯離子結合能力對PHC管樁中氯離子擴散規律的影響.結果表明，氯離子結合降低了PHC管樁中自由氯離子質量分數，使PHC內部氯離子質量分數梯度減小.

為研究溫度對PHC管樁中氯離子擴散的影響，李鏡培等[46]采用溫度修正差異系數δ考慮PHC管樁內外溫差的影響，研究了不同溫度條件下PHC管樁內部氯離子的擴散狀況，如圖11所示.可見溫度對氯離子擴散速率具有明顯的影響，在較高的溫度條件下氯離子活性增強，其擴散速率明顯增快.

圖11 不同溫度條件氯離子擴散[46]

Fig.11 Distributions of chloride ion concentration under different environmental temperatures[46]

3.3 PHC管樁耐久性試驗

氯離子侵蝕試驗是研究氯離子侵蝕環境下混凝土耐久性的主要途徑.目前，國內外學者對普通混凝土結構的氯離子侵蝕規律進行了大量的試驗研究[56-59]，但研究內容多集中在混凝土材料組成和外界環境因素對其耐久性的影響規律方面，針對樁基礎實際服役環境及其受力狀態的氯離子侵蝕試驗研究較少.

為研究帶裂縫混凝土結構的耐久性，文獻[60-62]基于氯離子侵蝕試驗，研究了帶裂縫混凝土中氯離子的侵蝕擴散特性.研究表明，裂縫寬度在某一臨界值(約30 ～200 μm)以下時，混凝土中氯離子質量分數并未有較大變化.岳著文等[63]采用自行設計的裂縫生成裝置，研究了PHC管樁中裂縫的生成及恢復機制.結果顯示，隨著最大裂縫寬度COD的增大，裂縫恢復率δ逐漸變小，如圖12所示.

在PHC管樁裂縫研究的基礎上，Yue等[64]開展了常溫下帶裂縫PHC管樁的氯離子浸泡侵蝕試驗，研究發現，當管樁外側裂縫寬度小于70 μm時，裂縫處氯離子質量分數并未產生明顯增大的現象，但當裂縫寬度大于70 μm后，氯離子質量分數明顯增大，如圖13所示；內表面裂縫寬度從10 μm增大到250 μm時，裂縫處氯離子質量分數呈逐漸增大的趨勢，如圖14所示.

圖12 外表面裂縫恢復特性[63]

Fig.12 Recover behaviours of crack width development on the surface of PHC pipe piles[63]

圖13 外表面裂縫對氯離子輸運的影響[63]

Fig.13 Influence of crack width at exterior surfaces on diffusion of chloride ions[63]

圖14 內表面裂縫對氯離子輸運的影響[64]

Fig.14 Influence of crack width at interior surfaces on diffusion of chloride ions[64]

處于干濕循環區的PHC管樁，其在浸沒狀態時，氯離子通過擴散作用向混凝土內部遷移；在干燥狀態時，表面一定深度范圍水分向外界蒸發，氯離子滯留在混凝土中，該處混凝土變為非飽和狀態，當再次被海水浸沒后，表面非飽和區氯離子在毛細水壓力作用下將加速向混凝土內部輸運[49].經過多個干濕循環后，氯離子在混凝土構件表面一定深度范圍形成峰值[65].近年來，國內外學者對干濕循環條件下氯離子在混凝土中的傳輸機理開展了試驗研究[66-69]，結果表明，干濕循環區混凝土中氯離子傳輸速率較水下區、浪濺區和鹽霧區快，干濕循環作用極大促進了氯離子在混凝土中的輸運速率.

為研究處于潮汐區PHC管樁的氯離子擴散侵蝕機制，岳著文[68]開展了帶裂縫PHC管樁的干濕循環氯離子侵蝕試驗，試驗結果顯示，干濕循環次數增加一倍，PHC管樁裂縫處氯離子質量分數提高3～5倍，如圖15所示，圖中r表示距管樁中心距離；隨著干濕循環次數的增加，PHC管樁表面氯離子質量分數隨裂縫寬度w的增大有明顯增大的趨勢，并且PHC管樁表面氯離子質量分數隨時間累積呈指數形式增長(圖16)，該趨勢與文獻[69]對海洋環境中混凝土橋梁表面氯離子質量分數統計所得趨勢一致.

圖15 干濕循環次數N對氯離子輸運的影響[68]

Fig.15 Influence of numbers of wet-dry cycle on diffusion of chloride ions[68]

圖16 干濕循環作用下表面氯離子累積[68]

Fig.16 Accumulation of chloride ions at surface under wet-dry circle[68]

3.4 PHC管樁耐久性壽命預測

隨著PHC管樁的大規模使用，海工環境中PHC管樁的服役壽命周期成為設計者和研究者廣泛關注的問題.氯離子侵蝕環境中混凝土結構的耐久性壽命有多種定義.Chen等[11]將混凝土耐久性壽命分為誘導期、發展期和失效期3個階段.其中，誘導期是氯離子擴散到鋼筋開始銹蝕的時間；發展期是鋼筋開始銹蝕到裂縫擴展到混凝土表面的時間；失效期是指混凝土表面產生裂縫到混凝土構件失效的時間.考慮到混凝土表面產生裂縫后，鋼筋銹蝕速度急劇增大，失效期相對誘導期和發展期較短，Rostam[70]將混凝土耐久性壽命簡化為誘導期和發展期壽命.目前，學術界通常采用誘導期壽命作為混凝土設計壽命[71-73]，而將發展期和失效期壽命作為安全儲備.

針對海洋和近海氯離子侵蝕環境下混凝土結構的耐久性壽命問題，國內外學者開展了一些有益的研究，提出了相應的壽命預測理論[11]，但這些研究多針對普通混凝土構件，其壽命計算方法并不適用于PHC管樁.邵偉等[74]曾將混凝土保護層外表面裂紋寬度達到最大容許裂紋寬度的時間定義為管樁的耐久性壽命，建立了海工環境中管樁的壽命預測模型，但該模型假定管樁為均質材料，并未考慮PHC管樁的離心分層特性，因此僅適用于普通管樁的耐久性壽命預測.

文獻[54]將鋼筋表面氯離子質量分數累積達到足以導致鋼筋銹蝕臨界氯離子質量分數的時間定義為混凝土管樁的耐久壽命，分別研究了裂縫寬度、環境溫度以及氯離子結合能力對混凝土管樁耐久壽命的影響規律.結果表明，隨著裂縫寬度wcr的增大，混凝土管樁耐久壽命嚴重縮短，增加管樁保護層厚度c可有效延長管樁的耐久壽命，如圖17所示.氯離子結合能力降低了管樁內氯離子質量分數，延長了混凝土管樁的耐久壽命，氯離子結合能力對水下區混凝土管樁耐久壽命的影響更為顯著，如圖18所示.環境溫度T對管樁服役壽命存在顯著的影響，環境溫度越高，管樁耐久壽命越短，如圖19所示.

圖17 裂縫寬度對混凝土管樁耐久壽命的影響[54]

圖18氯離子結合能力對混凝土管樁耐久壽命的影響[55]

Fig.18 Influence of chloride binding on service life of concrete pipe piles[55]

圖19 環境溫度對混凝土管樁耐久壽命的影響[75]

Fig.19 Influence of environmental temperature on the service life of concrete pipe piles[75]

為研究PHC管樁在氯離子侵蝕環境中的使用壽命，岳著文等[76]將誘導期和發展期定義為PHC管樁的使用壽命，在考慮PHC管樁離心分層特性的基礎上預測了PHC管樁的使用壽命(圖20)，探討了保護層厚度、砂漿層厚度及管樁內封閉等因素對PHC管樁壽命的影響.結果表明，混凝土保護層可有效延緩鋼筋銹蝕裂縫擴展到混凝土表面的時間，從而延長發展期壽命.砂漿層由于擴散系數大，強度低，使PHC管樁誘導期壽命和發展期壽命降低.PHC管樁內部封閉可大幅度提高其耐久性壽命.

圖20 氯離子侵蝕環境中PHC管樁使用壽命[76]

3.5 受侵蝕PHC管樁水平承載特性

海洋和近海環境氯離子侵蝕環境中樁基受侵蝕后，其樁身強度和剛度降低，嚴重影響到其承載性能.王鳳池等[77]曾將硫酸和硝酸混合液加入近似飽和的重塑黏性土模擬強酸性地基，通過室內模型試驗研究了酸性土壤中鋼樁基礎的豎向承載特性.研究發現，鋼樁表面的銹蝕產物降低了樁-土界面的黏著力，導致腐蝕鋼樁的豎向承載能力明顯降低.

海工環境中PHC管樁除了承受上部結構物傳遞的豎向荷載之外，多數情況下還要承受海洋潮汐、波浪、海冰等水平向荷載作用.通常，海洋和近海環境中PHC管樁的豎向承載力能夠得到保證，但在氯離子侵蝕作用下，PHC管樁鋼筋銹蝕導致其抗彎剛度降低，水平向承載能力衰減十分明顯.為研究海工環境中PHC管樁水平承載力的衰減規律，李鏡培等[78]根據鋼筋-混凝土之間粘結性能退化與鋼筋銹蝕率之間的關系，推導了鋼筋銹蝕率和抗彎剛度之間的理論關系，并以PHC-B700型管樁為例分析了海工環境中PHC管樁水平承載力的衰減規律，如圖21所示.可以看出，PHC管樁水平承載力的衰退可以分為：1)氯離子擴散承載力穩定；2)鋼筋銹蝕承載力衰減；3)結構破壞承載力喪失三個階段.

圖21 B700管樁水平承載力隨時間衰退曲線[78]

Fig.21 Curve of B700 horizontal bearing capacity declining with time[78]

文獻[79]基于混凝土管樁氯離子擴散解答，推導了鋼筋平均銹蝕深度與銹蝕時間的理論關系，進而根據鋼筋銹蝕深度與抗彎剛度折減系數的經驗關系，分析了海工環境中管樁水平承載特性的劣化規律.結果表明，樁身抗彎剛度折減系數隨氯離子侵蝕時間的增加呈現出非線性減小的趨勢，如圖22所示.鋼筋銹脹降低了混凝土管樁的水平承載性能.

圖22 抗彎剛度折減系數與服役時間關系曲線[79]

4 硫酸鹽侵蝕環境中樁基耐久性

4.1 硫酸鹽擴散特性

鹽湖和鹽漬土環境中硫酸根離子通過擴散作用進入混凝土樁基內部，進而與混凝土中水泥水化產物發生物理化學反應，對混凝土樁基造成腐蝕損傷作用.建立混凝土中硫酸根離子擴散-反應模型是鹽湖和鹽漬土環境中混凝土樁基耐久性研究的前提.然而，硫酸根離子與水泥水化產物之間的物理化學反應非常復雜，影響因素眾多，很難定量準確地描述.因而，國內外關于此方面的研究仍處于探索階段，多數研究通過簡化硫酸根離子與水泥水化產物之間的物理化學反應來考慮硫酸根離子的耗散，建立了相應的硫酸鹽擴散-反應還散模型，如：左曉寶等[40]和徐惠[42]采用經驗公式考慮硫酸根離子的反應耗散，基于Fick第二定律建立了硫酸根離子在混凝土中的非穩態擴散-反應方程，并采用有限差分法求解擴散-反應方程，獲得了硫酸根離子在混凝土中的濃度分布規律.焦楚杰等[80]假定硫酸根離子與水泥水化物之間的反應速率為常數，建立了硫酸鹽在混凝土構件中的一維、二維及三維非線性非穩態擴散-反應方程，研究了硫酸根離子在混凝土內部的擴散-反應規律.

對于服役于鹽湖和鹽漬土中的灌注樁而言，其除了受到環境中硫酸鹽的外部侵蝕作用外，還同時受到施工過程中混入樁基內部硫酸鹽的侵蝕作用[81].為研究在混入灌注樁內部硫酸鹽的擴散-反應規律，文獻[82-83]將混入混凝土內部硫酸鹽腐蝕介質的濃度簡化為峰值型分布(圖23)，并假定硫酸根離子反應耗散速率恒定，根據Fick第二定律建立了隨機混入灌注樁內部硫酸鹽的擴散-反應模型，探討了混入硫酸鹽的擴散-反應機制.結果表明，由于硫酸鹽的反應耗散，其濃度在擴散過程中有所降低，如圖24所示.

圖23 灌注樁中硫酸鹽隨機分布簡化分析圖[82]

Fig.23 Schematic representation of the simplification made on the stochastic distribution of sulfate[82]

4.2 硫酸鹽侵蝕基樁豎向承載特性

硫酸鹽侵蝕造成混凝土膠結性能降低、保護層剝落、抗壓強度衰減，由于單樁的豎向承載主要依靠混凝土的抗壓能力，因此，硫酸鹽侵蝕環境中樁基的耐久性問題主要表現為豎向承載能力的衰退.目前，國內外對樁基豎向承載特性的研究已經比較完善[84-86]，但對硫酸鹽侵蝕混凝土樁基豎向承載特性的研究卻幾乎為空白.基于此，筆者對硫酸鹽侵蝕劣化樁基的豎向承載特性進行了初步探討，文獻[87]假定硫酸鹽擴散深度范圍內混凝土由于侵蝕劣化不承擔豎向荷載，考慮樁基腐蝕膨脹引起側摩阻力的變化，建立了硫酸鹽侵蝕樁基承載力的力學解析模型，探討了硫酸鹽侵蝕樁基樁側承載力和樁端承載力隨侵蝕時間的演變規律.結果表明，盡管腐蝕產物引起樁身膨脹對土體形成擠壓作用，但因樁身截面劣化，樁側承載力隨時間而減小，樁端承載力則由于有效承載面積的減小而降低，腐蝕樁基的總承載力隨腐蝕時間的增加呈降低的趨勢.

圖24 擴散模型與擴散-反應模型對比[83]

Fig.24 Concentration profiles of sulfate diffusion and diffusion-reaction[83]

文獻[88]通過損傷因子D描述受硫酸鹽侵蝕樁基抗壓強度和彈性模量的衰退，分別采用雙曲線型和雙折線型荷載傳遞函數模擬受侵蝕樁基樁側和樁端的荷載傳遞特性，基于荷載傳遞法建立了受硫酸鹽侵蝕樁基的荷載-傳遞模型，分析了硫酸鹽侵蝕環境下不同腐蝕損傷程度樁基的豎向承載特性.結果表明，相同的荷載下，樁身腐蝕損傷度越大的樁基沉降量越大，如圖25所示.對于腐蝕損傷度較大的樁基，由于樁身彈性模量較小、壓縮性大，樁身上部周圍土體荷載發揮較為充分，當荷載增加到一定程度時，樁身將因強度不足而在樁頂附近發生脆斷破壞，如圖26所示.

圖25 硫酸鹽侵蝕環境下單樁樁頂荷載沉降關系[88]

Fig.25 Load-settlement relationship of foundation pile under sulfate attack[88]

4.3 硫酸鹽侵蝕基樁試驗

硫酸鹽對混凝土樁基的侵蝕機理十分復雜，影響因素眾多，常規的理論解析和數值模擬手段很難真實反映硫酸鹽侵蝕混凝土的微觀機理和樁基宏觀力學特性的劣化規律.然而，試驗研究可以考慮硫酸鹽濃度、溫度、濕度等因素的綜合作用，為混凝土樁基微觀結構損傷和宏觀力學特性退化的研究提供了有效途徑.

圖26 不同腐蝕損傷度下樁身軸力分布[88]

Fig.26 Distribution of axial force of pile at different damage degrees of erosion[88]

借助于試驗手段，國內外學者對受硫酸鹽侵蝕混凝土的微觀機理及宏觀力學特性展開了廣泛的研究，獲得了豐富的研究成果[89-93].然而，目前多數硫酸鹽侵蝕試驗主要采用全浸泡的方式，其與鹽湖和鹽堿地等硫酸鹽侵蝕環境中樁基所處的侵蝕環境存在較大差別.實際工程中，樁基礎地下水位線以上和以下部分的硫酸鹽侵蝕機理并不相同：樁基地下水位線以下部分硫酸根離子在濃度梯度的作用下擴散進入樁基內部，進而與混凝土組分發生化學反應生產鈣礬石及石膏等膨脹性腐蝕產物，對樁基造成侵蝕破壞作用；樁基礎接近地下水位線以上部分侵蝕性溶液主要通過毛細管吸附作用進入混凝土樁身內部，侵蝕性離子除與混凝土組分發生化學反應生產鈣礬石及石膏等膨脹性腐蝕產物之外，溶液中鹽分由于水分蒸發而逐漸進入過飽和狀態，此時鹽分將以晶體形式快速析出并填充在混凝土孔隙中對混凝土產生結晶破壞作用.

5 結 論

5.1 存在問題

雖然目前國內外學者對氯離子和硫酸鹽侵蝕環境中樁基礎的耐久性進行了初步探討，并取得了一定的研究成果，但由于混凝土樁基所處地下侵蝕環境的復雜性以及影響因素的多樣性，混凝土樁基耐久性的研究尚存在許多不足之處，存在以下科學問題有待解決：

1)侵蝕環境中混凝土樁基礎的耐久性劣化涉及物理、化學、力學等多重因素的耦合作用，是一個十分復雜的過程，具有自身的特殊性，需要用系統的方法來研究.然而，目前多數研究僅圍繞一個或幾個因素進行研究，所取得的研究成果也較為離散，其研究成果應用于混凝土樁基耐久性設計還存在一定的差距.

2)混凝土的耐久性劣化時間長，影響因素多，從現有研究來看，多數混凝土耐久性試驗通過提高侵蝕氯離子質量分數或電化學加速的方法縮短侵蝕周期，獲得相應的劣化規律.然而，高濃度侵蝕離子和電化學加速改變了侵蝕機理，導致試驗結果與實際情況不符，無法反映樁基的真實劣化規律.

3)樁基礎埋置于土體中，樁-土界面處的離子遷移擴散規律有別于浸泡侵蝕條件下離子的遷移擴散規律，且樁基變形開裂受到土體的約束作用，與溶液浸泡侵蝕條件下的開裂存在一定的差別.然而，目前樁基耐久性研究中很少考慮樁-土相互作用，土體中樁基的耐久性劣化機理和規律尚不明確.

4)目前多數混凝土耐久性研究沒有考慮樁身強度變化與混凝土微觀結構損傷之間的關系.盡管有些研究利用SEM、XRD等技術對混凝土微觀結構的損傷劣化機理進行了定性的解釋，但仍缺少定量的模型分析，混凝土樁基宏觀強度劣化速率與微觀結構損傷程度之間的理論關系尚未建立.

5.1 研究展望

針對當前混凝土樁基耐久性研究中存在的不足之處，對今后樁基耐久性的研究方向提出幾點建議：

1)腐蝕環境中混凝土樁基的侵蝕破壞是一個復雜的物理化學過程，是多種因素耦合作用的結果.因此如何考慮多因素的耦合作用，對混凝土樁基的侵蝕破壞機理展開系統研究，建立多因素耦合作用下混凝土樁基耐久性壽命的評判準則與預測模型，是今后研究的重點.

2)混凝土樁基的耐久性劣化是一個長期緩慢的過程，加速侵蝕試驗條件與混凝土樁基的實際服役條件存在很大差別.因此有必要對樁基加速侵蝕試驗條件與實際侵蝕環境中各物理量之間的相似關系展開研究，使室內加速試驗能夠較好地聯系工程實際，為混凝土樁基耐久性損傷模型的建立提供必要的試驗數據支撐.

3)混凝土樁基由于埋置于土體之中，其耐久性劣化機制有別與其它混凝土結構.因此有必要開展土壤中混凝土樁基的耐久性侵蝕試驗，對樁-土界面處的離子遷移擴散規律、混凝土膨脹開裂與樁周土體之間的相互作用、受侵蝕樁基樁-土界面的荷載傳遞特性等科學問題展開深入研究，并基于樁-土相互作用建立受侵蝕混凝土樁基承載特性的計算分析模型.

4)混凝土樁基強度和剛度的退化是其內部微觀結構損傷劣化的結果.如何考慮結晶膨脹壓力引起的微觀裂紋和腐蝕產物膠結性能對混凝土宏觀力學特性的影響，結合損傷理論建立混凝土樁基微觀損傷-宏觀性能劣化的數學物理模型，定量分析侵蝕環境中混凝土樁基長期的損傷劣化規律是今后的重點研究內容.

[1] SHI X, XIE N, FORTUNE K, et al. Durability of steel reinforced concrete in chloride environments: An overview[J]. Construction and Building Materials, 2012, 30(5): 125-138.

[2] RAHMAN M M, BASSUONI M T. Thaumasite sulfate attack on concrete: mechanisms, influential factors and mitigation[J]. Construction and Building Materials, 2014, 73: 652-662.

[3] APOSTOLOPOULOS C, DEMIS S, PAPADAKIS V G, et al. Chloride-induced corrosion of steel reinforcement-Mechanical performance and pit depth analysis[J]. Construction and Building Materials, 2013, 38(2): 139-146.

[4] SULEIMAN A R, SOLIMAN A M, NEHDI M L. Effect of surface treatment on durability of concrete exposed to physical sulfate attack[J]. Construction and Building Materials, 2014, 73:674-681.

[5] JIANG L, NIU D, YUAN L, et al. Durability of concrete under sulfate attack exposed to freeze-thaw cycles[J]. Cold Regions Science and Technology, 2015, 112: 112-117.

[6] 金南國, 徐亦斌, 付傳清,等. 荷載、碳化和氯鹽侵蝕對混凝土劣化的影響[J]. 硅酸鹽學報, 2015, 43(10): 1483-1491.

JIN Nanguo, XU Yibin, FU Chuanqing, et al. Influence of carbonation, chloride attack and loading on concrete deterioration[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2015, 43(10): 1483-1491.

[7] 建筑地基基礎設計規范: GB 50007—2011[S]. 北京：中國建筑工業出版社, 2011.

Code for design of building foundation: GB 50007—2011[S]. Beijing: China Architecture and Building Press.

[8] 港口工程地基規范: JTS 147-1—2010[S]. 北京: 人民交通出版社, 2010.

Code for foundation of port engineering: JTS 147-1—2010[S]. Beijing: China Communications Press, 2010.

[9] 建筑樁基技術規范: JGJ 94—2008 [S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2008.

Technical code for building pile foundation: JGJ 94—2008[S]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2008.

[10]WONG H S, ZHAO Y X, KARIMI A R, et al. On the penetration of corrosion products from reinforcing steel into concrete due to chloride-induced corrosion[J]. Corrosion Science, 2010, 52(7): 2469-2480.

[11]CHEN D, MAHADEVAN S.Chloride-induced reinforcement corrosion and concrete cracking simulation[J]. Cement and Concrete Composites, 2008, 30(3): 227-238.

[12]BODDY A, BENTZ E, THOMAS M D A, et al. An overview and sensitivity study of a multi-mechanistic chloride transport model effect of fly ash and slag[J]. Cement and Concrete Research, 1999, 29(29): 827-837.

[13]COLLEPARDI M, MARCIALIS A, TURRIZIANI R. Penetration of chloride ions into cement pastes and concretes[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1972, 55(10):534-535.

[14]LIN S H. Chloride diffusion in porous concrete under conditions of variable temperature[J]. Heat and Mass Transfer, 1993, 28(7): 411-415.

[15]BITARAF M, MOHAMMADI S. Analysis of chloride diffusion in concrete structures for prediction of initiation time of corrosion using a new mesh less approach[J]. Construction and Building Materials, 2008, 22(4):546-556.

[16]THOMAS M, BAMFORTH P B. Modeling chloride diffusion in concrete: Effect of fly ash and slag[J]. Cement and Concrete Research, 1999, 29(4):487-495.

[17]HAN S. Influence of diffusion coefficient on chloride ion penetration of concrete structure[J]. Construction and Building Materials, 2007, 21(2): 370-378.

[18]TEGGUER A D, BONNET S, KHELIDJ A. Effect of cracking on chloride diffusion coefficient of concrete[J]. ACI Special Publication, 2012.

[19]PAGE C L, TREADAWAY K W J. Aspects of the electrochemistry of steel in concrete[J]. Nature, 1982, 297(5862): 109-115.

[20]GLASS G K, BUENFELD N R. Chloride-induced corrosion of steel in concrete[J]. Progress in Structural Engineering and Materials, 2000, 2(4): 448-458.

[21]KASSIR M K, GHOSON M. Chloride induced corrosion of reinforced concrete bridge decks[J]. Cement and Concrete Research, 2002, 32(1): 139-143.

[22]ARYA C, NEWMAN J B. An assessment of four methods of determining the free chloride content of concrete[J]. Materials and Structures, 1990, 23(5): 319-330.

[23]YU H, CHIANG K K, YANG L, et al. Threshold chloride level and characteristics of reinforcement corrosion initiation in simulated concrete pore solutions[J]. Construction and Building Materials, 2012, 26(1): 723-729.

[24]翟之陽. 混凝土中臨界氯離子質量分數的試驗研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2008.

ZHAI Zhiyang. Experimental research of chloride threshold in concrete[D].Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2008.

[25]梅平, 艾俊哲, 陳武, 等. 二氧化碳對N80鋼腐蝕行為的影響研究[J]. 腐蝕與防護, 2004, 25(9): 379-382.

MEI Ping, AI Junzhe, CHEN Wu, et al. Effect of CO2on the corrosion of pipeline steel n80[J]. Corrosion and Protection, 2004, 25(9): 379-382.

[26]YU B, YANG L F, WU M, et al. Practical model for predicting corrosion rate of steel reinforcement in concrete structures[J]. Construction and Building Materials, 2014, 54: 385-401.

[27]HORNBOSTEL K, LARSEN C K, GEIKER M R. Relationship between concrete resistivity and corrosion rate: A literature review[J]. Cement and Concrete Composites, 2013, 39: 60-72.

[28]BAZANT Z P. Physical model for steel corrosion in concrete sea structures-theory[J]. Journal of the Structural Division, 1979, 105(6): 1137-1153.

[29]劉西拉, 苗澍柯. 混凝土結構中的鋼筋腐蝕及其耐久性計算[J]. 土木工程學報, 1990(4): 69-78.

LIU Xila, MIAO Shujie.Steel corrosion and the durability calculation of reinforced concrete structures[J]. China Civil Engineering Journal, 1990(4): 69-78.

[30]GONZALEZ J A, ANDRADE C, ALONSO C, et al. Comparison of rates of general corrosion and maximum pitting penetration on concrete embedded steel reinforcement[J]. Cement and Concrete Research, 1995, 25(2): 257-264.

[31]宋曉冰. 鋼筋混凝土結構中的鋼筋腐蝕[D]. 北京: 清華大學, 2006.

SONG Xiaobing. Corrosion of reinforcement in reinforced concrete structures[D]. Beijing: Tsinghua University, 2006.

[32]JAFFER S J, HANSSON C M. Chlorideinduced corrosion products of steel in cracked-concrete subjected to different loading conditions[J]. Cement and Concrete Research, 2009, 39(2):116-125.

[33]BHARGAVA K, GHOSH A K, MORI Y, et al. Modeling of time to corrosion induced cover cracking in reinforced concrete structures[J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35(11): 2203-2218.

[34]BHARGAVA K, GHOSH A K, MORI Y, et al. Model for cover cracking due to rebar corrosion in RC structures[J]. Engineering Structures, 2006, 28(8): 1093-1109.

[35]LIU Y, WEYERS R E. Modeling the time to corrosion cracking in chloride contaminated reinforced concrete structures[J]. ACI Materials Journal, 1998, 95(6): 675-681.

[36]MAADAWY T E, SOUDKI K. A model for prediction of time from corrosion initiation to corrosion cracking[J]. Cement and Concrete Composites, 2007, 29(3): 168-175.

[37]THAULOW N, SAHU S. Mechanism of concrete deterioration due to salt crystallization[J]. Materials Characterization, 2004, 53(2): 123-127.

[38]金雁南, 周雙喜. 混凝土硫酸鹽侵蝕的類型及作用機理[J]. 華東交通大學學報, 2006, 23(5): 4-8.

JIN Yannan, ZHOU Shuangxi. Types and mechanism of concrete sulfate attack[J]. Journal of East China Jiaotong University, 2006, 23(5): 4-8.

[39]SAMSON E, MARCHAND J, BEAUDOIN J J. Modeling the influence of chemical reactions on the mechanisms of ionic transport in porous materials: An overview[J]. Cement and Concrete Research, 2000, 30(12): 1895-1902.

[40]左曉寶, 孫偉. 硫酸鹽侵蝕下的混凝土損傷破壞全過程[J]. 硅酸鹽學報, 2009, 37(7): 1063-1067.

ZUO Xiaobao, SUN Wei. Full process analysis of damage and failure of concrete subjected to external sulfate attack[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2009, 37(7): 1063-1067.

[41]KUHL D, BANGERT F, MESCHKE G. Coupled chemo-mechanical deterioration of cementitious materials. Part I: Modeling [J]. International Journal of Solids and Structures, 2004, 41: 15-40.

[42]徐惠. 硫酸鹽腐蝕下混凝土損傷行為研究[D]. 徐州:中國礦業大學, 2012.

XU Hui. Research on damage behavior of concrete under sulfate corrosion[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2012.

[43]鮑燕林, 陳建康. 硫酸鹽侵蝕下混凝土損傷演化的新模型[J]. 寧波大學學報(理工版), 2016(1): 98-102.

BAO Yanlin, CHEN Jiankang. A new model of damage evolution in concrete under sulfate attack[J]. Journal of Ningbo University (NSEE), 2016(1): 98-102.

[44]姜磊. 硫酸鹽侵蝕環境下混凝土劣化規律研究[D]. 西安：西安建筑科技大學, 2014.

JIANG Lei. Study on deterioration of concrete under sulfate attack[D]. Xi′an:Xi′an University of Architecture and Technology, 2014.

[45]劉毅. 考慮溫度影響的PHC管樁海水腐蝕機理與水平承載壽命預測方法研究[D]. 上海：同濟大學, 2014.

LIU Yi. Seawater corrosion mechanism considering the temperature influence and life prediction of horizontal bearing capacity of PHC pipe pile in marine environment[D]. Shanghai: Tongji University, 2014.

[46]李鏡培, 岳著文, 邵偉, 等. 海工環境PHC管樁設計壽命計算[J]. 硅酸鹽學報, 2014(4): 476-485.

LI Jingpei, YUE Zhuwen, SHAO Wei, et al. Calculations of designed lifetime of PHC pipeline in marine environment[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2014(4): 476-485.

[47]LAU K, SAGUES A A, YAO L, et al. Corrosion performance of concrete cylinder piles[J]. Corrosion, 2005, 63(4): 366-378.

[48]HUANG I B, YEN S K. Diffusion in hollow cylinders for some boundary conditions: I. Mathematical treatment[J]. Materials Chemistry and Physics, 2002, 74(3): 289-299.

[49]金偉良, 袁迎曙, 衛軍, 等. 氯鹽環境下混凝土結構耐久性理論與設計方法[M]. 北京: 科學出版社， 2011.

JIN Weiliang, YUAN Yingshu, WEI Jun, et al. Durability theory and design method of concrete structures under chloride environment[M]. Beijing, Science Press, 2011.

[50]王傳坤, 高祥杰, 趙羽習, 等. 混凝土表層氯離子含量峰值分布和對流區深度[J]. 硅酸鹽通報, 2010, 29(2): 262-267.

WANG Chuankun, GAO Xiangjie, ZHAO Yuxi, et al. Peak value distribution of surface chloride concentration and convection depth of concrete[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2010, 29(2): 262-267.

[51]岳著文, 李鏡培, 楊博. 考慮對流條件下氯離子在混凝土中的輸運計算[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2015, 43(1): 60-66, 81.

YUE Zhuwen, LI Jingpei, YANG Bo. Calculation of chloride ions transportation in concrete considering convection[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2015, 43(1): 60-66, 81.

[52]BENTZ D P, GARBOCZI E J, LU Y, et al. Modeling of the influence of transverse cracking on chloride penetration into concrete[J]. Cement and Concrete Composites, 2013, 38: 65-74.

[53]POURSAEE A, HANSSON C M. The influence of longitudinal cracks on the corrosion protection afforded reinforcing steel in high performance concrete[J]. Cement and Concrete Research, 2008, 38(89): 1098-1105.

[54]SHAO W, LI J P. Service life prediction of cracked RC pipe piles exposed to marine environments[J]. Construction and Building Materials, 2014, 64: 301-307.

[55]LI J P, SHAO W. The effect of chloride binding on the predicted service life of RC pipe piles exposed to marine environments[J]. Ocean Engineering, 2014, 88: 55-62.

[56]THOMAS M D, BAMFORTH P. Modeling chloride diffusion in concrete: effect of fly ash and slag[J]. Cement and Concrete Research, 1999, 29(4): 487-495.

[57]MURALIDHARAN S, VEDALAKSHMI R, SARASWATHI V, et al. Studies on the aspects of chloride ion determination in different types of concrete under macro-cell corrosion conditions[J]. Building and Environment, 2005, 40(9): 1275-1281.

[58]李林, 丁士君, 李鏡培,等. 不同環境條件下混凝土構件氯離子侵蝕試驗[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2016, 48(12): 28-33.

LI Lin, DING Shijun, LI Jingpei. Chloride ion erosion experiment of concrete members under different environmental conditions[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2016, 48(12): 28-33.

[59]FRIEDMANN H, AMIRI O, AITMOKHTAR A, et al. A direct method for determining chloride diffusion coefficient by using migration test[J]. Cement and Concrete Research, 2004, 34(11): 1967-1973.

[60]JA NG S Y, KIM B S, OH B H, et al. Effect of crack width on chloride diffusion coefficients of concrete by steady-state migration tests[J]. Cement and Concrete Research, 2011, 41(1): 9-19.

[61]ISMAIL M, TOUMI A, FRANCOIS R, et al. Effect of crack opening on the local diffusion of chloride in inert materials[J]. Cement and Concrete Research, 2004, 34(4): 711-716.

[62]ISMAIL M, TOUMI A, FRANCOIS R, et al. Effect of crack opening on the local diffusion of chloride in cracked mortar samples[J]. Cement and Concrete Research, 2008, 38(8): 1106-1111.

[63]岳著文, 李鏡培, 邵偉. PHC管樁劈裂試驗裂縫開展特征[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2014, 46(10): 81-86.

YUE Zhuwen, LI Jingpei, SHAO Wei. Crack development characteristic of PHC pipe pile in splitting test[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2014, 46(10): 81-86.

[64]YUE Z W, LI J P, SHAO W, et al. Effect of crack opening and recovery on chloride penetration into RC hollow piles[J]. Materials and Structures. 2016, 49(8): 3217-3226.

[65]YUN L, CHOI M S, YI S T, et al. Experimental study on the convective heat transfer coefficient of early age concrete[J]. Cement and Concrete Composites, 2009, 31(1): 60-71.

[66]HONG K, HOOTON R D. Effects of cyclic chloride exposure on penetration of concrete cover[J]. Cement and Concrete Research, 1999, 29(9): 1379-1386.

[67]金偉良, 金立兵, 延永東, 等. 海水干濕交替區氯離子對混凝土侵入作用的現場檢測和分析[J]. 水利學報, 2009(3): 364-371.

JIN Weiliang, JIN Libing, YAN Yongdong, et al. Field inspection on chloride ion intrusion effect of seawater in dry-wet cycling zone of concrete structures[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2009(3): 364-371.

[68]岳著文. 海工環境PHC管樁氯離子擴散機理及水平抗力損傷試驗研究[D]. 上海：同濟大學, 2016.

YUE Zhuwen. Study on the chloride transmission mechanism in PHC pipe piles and the chloride erosion test considering centrifugal effect[D]. Shanghai: Tongji University, 2016.

[69]KASSIR M K, GHOSN M. Chloride induced corrosion of reinforced concrete bridge decks[J]. Cement and Concrete Research, 2002, 32(1): 139-143.

[70]ROSTAM S. Service life design the European approach[J]. Concrete International, 1993, 15(7): 24-32.

[71]DHIR R K, JONES M R, AHMEDHE H E, et al. Concrete durability: estimation of chloride concentration during design life[J]. Magazine of Concrete Research, 2015, 43(154): 37-44.

[72]林剛, 向志海, 劉應華. 鋼筋混凝土保護層銹脹開裂時間預測模型[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2010(7): 1125-1129.

LIN Gang, XIANG Zhihai, LIU Yinghua. Modeling of time to corrosion cracking in reinforced concrete structures[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2010 (7): 1125-1129.

[73]李鏡培, 李鶴. 海洋環境下混凝土方樁使用壽命預測模型[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2016, 44(9): 1371-1376.

LI Jingpei, LI He. Service life prediction model of concrete square piles in marine environment[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2016, 44(9): 1371-1376.

[74]邵偉, 李鏡培, 岳著文. 氯離子侵蝕混凝土管樁壽命預測理論模型[J]. 硅酸鹽學報, 2013, 41(5): 575-581.

SHAO Wei, LI Jingpei, YUE Zhuwen. Service life prediction of concrete pipe pile due to chloride ion corrosion by modeling[J]. Journal of The Chinese Ceramic Society, 2013, 41(5): 575-581.

[75]SHAO W, LI J P, LIU Y. Influence of exposure temperature on chloride diffusion into RC pipe piles exposed to atmospheric corrosion[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2016, 28(5): 04016002.

[76]岳著文, 李鏡培, 李林, 等. 海工環境下預應力高強混凝土管樁使用壽命計算[J]. 上海交通大學學報, 2016, 50(3): 370-376.

YUE Zhuwen, LI Jingpei, LI Lin, et al. Service life prediction of pre-stress high concrete pipe piles in marine environment[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2016, 50(3): 370-376.

[77]王鳳池, 高寰, 馮旭寧,等. 酸性土腐蝕對鋼樁基礎承載性能的影響[J]. 巖土工程學報, 2017, 39(3): 408-416.

WANG Fengchi, GAO Huan, FENG Xuning, et al. Effects of corrosion on bearing capacity of steel pile foundation in acidic soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 39(3): 408-416.

[78]李鏡培, 劉毅, 周韻鴻. 海工環境中PHC管樁水平承載壽命預測[J]. 土木工程學報, 2013(12): 109-117.

LI Jingpei, LIU Yi, ZHOU Yunhong. Service life prediction of horizontal bearing capacity of PHC pipe pile in marine environment[J]. China Civil Engineering Journal, 2013(12): 109-117.

[79]邵偉, 李鏡培, 陳海兵, 等. 銹蝕損傷混凝土管樁水平承載性狀時變分析[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2015, 47(6): 77-81.

SHAO Wei, LI Jingpei, CHEN Haibing, et al. Time dependent behavior analysis of laterally loaded corrosion damaged RC pipe piles[J]. Journal of Harbin Institution of Technology, 2015, 47(6): 77-81.

[80]焦楚杰, 魏曉峰, 鐘海明,等. 硫酸鹽侵蝕混凝土的理論模型與數值仿真[J]. 廣州大學學報(自然科學版), 2013, 12(4): 38-42.

JIAO Chujie, WEI Xiaofeng, ZHONG Haiming, et al. Theory model and numerical simulation of the process of sulfate eroding concrete[J]. Journal of Guangzhou University (Natural Science Edition), 2013, 12(4): 38-42.

[81]李鏡培, 趙高文, 李林. 夾泥引起的混凝土內部SO42-擴散特性及破壞模式研究與分析[J]. 混凝土, 2017(3): 1-6.

LI Jingpei, ZHAO Gaowen, LI Lin. Study on failure m ode and diffusion manner of SO42-within concrete caused by infiltrated mud[J]. Concrete. 2017(3): 1-6.

[82]姚明博, 李鏡培. 混凝土灌注樁中混含硫酸鹽的時變分布規律[J]. 土木建筑與環境工程, 2015(5): 95-100.

YAO Mingbo, LI Jingpei. Theoretical analysis of the time varying distribution behaviour of bored pile internal mixed sulfate[J]. Journal of Civil, Architectural and Environmental Engineering, 2015, 37(5): 95-100.

[83]LI J P, YAO M B, SHAO W. Diffusion-reaction model of stochastically mixed sulfate in cast-in-situ piles[J]. Construction and Building Materials, 2016, 115:662-668.

[84]LI L, LI J P, SUN D A, GONG W B. Analysis of time-dependent bearing capacity of a driven pile in clayey soils by total stress method[J]. International Journal of Geomechanics, 2017, 17(7): 04016156.

[85]RANDOLPH M F. Science and empiricism in pile foundation design[J]. Géotechnique 2003, 53(10): 847-875.

[86]ZHANG Q Q, LI L P, CHEN Y J. Analysis of compression pile response using a softening model, a hyperbolic model of skin friction, and a bilinear model of end resistance[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2013, 140(1): 102-111.

[87]李鏡培, 趙高文, 李林, 等. 硫酸鹽漬土中灌注樁豎向承載力演變規律[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2017, 49(6): 84-89.

LI Jingpei, ZHAO Gaowen, LI Lin, et al. Bored piles′ vertical bearing strength evolution in sulfate saline soil[J]. Journal of Harbin Institution of Technology, 2017, 49(6): 84-89.

[88]李鏡培, 李險峰, 李林, 等. 硫酸鹽侵蝕損傷劣化基樁豎向承載特性[J]. 上海交通大學學報, 2016, 50(11): 1761-1766.

LI Jingpei, LI Xianfeng, LI Lin, et al. Axial bearing behavior of deteriorated foundation pile under sulfate attack[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2016, 50(11): 1761-1766.

[89]IDIART A E, LOPEZ C M, CAROL I. Chemo-mechanical analysis of concrete cracking and degradation due to external sulfate attack: a meso-scale model[J]. Cement and Concrete Composites, 2011, 33(3): 411-423.

[90]ZHANG M, CHEN J, LV Y, et al. Study on the expansion of concrete under attack of sulfate and sulfate-chloride ions[J]. Construction and Building Materials, 2013, 39: 26-32.

[91]FATIMA T, MUNTEAN A. Sulfate attack in sewer pipes: derivation of a concrete corrosion model via two-scale convergence[J]. Nonlinear Analysis: Real World Applications, 2014, 15: 326-344.

[92]LORENTE S, YSSORCHECUAYNES M P, AUGER J. Sulfate transfer through concrete: migration and diffusion results[J]. Cement and Concrete Composites, 2011, 33(7): 735-741.

[93]GIRARDI F, VAONA W, MAGGIO R D.Resistance of different types of concretes to cyclic sulfuric acid and sodium sulfate attack[J]. Cement and Concrete Composites, 2010, 32(8): 595-602.

(編輯趙麗瑩)

Advancesinconcretepiledurabilityincorrosiveenvironment

LI Jingpei1,2, LI Lin1,2, CHEN Haohua1,2, SHAO Wei1,2, YUE Zhuwen1,2

(1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering(Tongji University), Ministry of Education, Shanghai 200092, China;2.Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China.)

The durability of underground concrete structures in corrosive environments is one of the hottest issues. The current research works on the durability of underground concrete structures in marine and offshore chlorine salt erosion environment and saline lake and inland saline sulfate environment were summarized based on concrete corrosion mechanism, erosive ion diffusion mechanism, rebar corrosion mechanism, concrete strength and stiffness damage and other aspects, respectively, and the damage characteristics and degradation mechanisms of underground concrete structures under chloride and sulfate corrosion environment were discussed. Considering the production technology of the PHC pipe pile and the bored pile, the deterioration mechanism of horizontally loaded PHC pipe pile in marine environment and vertically loaded bored pile in saline soil environment were discussed, respectively. The degradation laws of their load-bearing characteristic were investigated by considering the loading mechanism of bored piles and PHC pipe piles, and the methods for predicting the service life of horizontally loaded PHC pipe pile in marine environment and vertically loaded bored pile in saline soil environment were proposed. Finally, based on the current study, the further research ideas and directions were proposed to provide references for the durability research of reinforced concrete pile in corrosive environment and complicated stress conditions, and as well as the formulation of relevant standards.

corrosive environments; reinforced concrete; pile foundation; chloride ion; sulfate; bearing performance

10.11918/j.issn.0367-6234.201708027

TU473

A

0367-6234(2017)12-0001-15

2017-08-08

國家自然科學基金(51178341,41772290)

李鏡培(1963—)，男，教授，博士生導師

李 林，lilin_sanmao@163.com